Текст книги "Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы"

Автор книги: Рудольф Сворень

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 16 страниц)

Шорох листьев на расстоянии 1 м создает звуковое давление около 0,0001 н/м² (это в 10 тысяч раз меньше, чем давление стакана воды, распределенной по листу фанеры) и силу звука около 0,00000000001 (10^-11) вт/м². На шумной улице звук, конечно, намного громче. Звуковое давление здесь достигает 0,2 н/м², а сила звука 0,0001 вт/м². Наконец, мощный реактивный двигатель на расстоянии 5 м создает звуковое давление 20 н/м² и силу звука около 1 вт/м².

Следующие два параметра звука, с которыми нам предстоит познакомиться, – это скорость распространения и длина волны.

Если вы взглянете на график звука и график колебаний струны (рис. 4), то сразу же заметите их различие – звуковые колебания несколько запаздывают. В нашем примере они в точности следуют за всеми колебаниями струны, но следуют с опозданием на 0,1 сек. Это время необходимо звуковой волне для того, чтобы добежать от струны до той точки, где мы измеряем давление. Если измерить расстояние между струной и нашим воображаемым манометром, то можно подсчитать скорость распространения звуковой волны. Скорость звука, измеренная таким способом в различных веществах, приведена в табл. 1. Можно решить и обратную задачу. Взяв из этой таблицы скорость звука в воздухе (330 м/сек) и вспомнив, что опоздание звука составляет 0,1 сек, мы легко определим расстояние между струной и манометром. Оно составляет 33 м. Подобным же образом, заметив, на сколько секунд запаздывает гром, легко подсчитать расстояние до места вспышки молнии.

Что такое длина звуковой волны, легко понять, если вспомнить наше старое сравнение – с морскими волнами. Там длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими гребнями или двумя ближайшими впадинами. Аналогично для звука длина волны – это расстояние между двумя ближайшими участками с максимальным (амплитудным) давлением или максимальным разрежением воздуха.

Длина звуковой волны зависит от частоты и скорости распространения звука. Чем выше частота, тем чаще следуют друг за другом области сжатия и разрежения, тем, следовательно, короче волна. А с увеличением скорости звука длина волны, наоборот, увеличивается. Чем быстрее распространяется звук, тем дальше успевает уйти один гребень от другого, тем больше расстояние между ними.

Нужно сказать, что акустика имеет дело со сравнительно короткими волнами. Так, например, при частоте 100 гц длина звуковой волны 3,3 м; частоте 500 гц соответствует волна 66 см, а частоте 20 кгц – 1,7 см. Данные эти относятся только к воздуху, к скорости звука 330 м/сек. В другой среде, с иной скоростью распространения звука, и длина волны будет иной. Так, в воде звук распространяется намного быстрее, и за время одного периода гребень звукового давления успевает пройти в четыре раза большее расстояние, чем в воздухе. Поэтому расстояние между гребнями, то есть длина волны в воде, также в четыре раза больше. Для приведенных выше значений частоты мы получим примерно такие длины волн: 14 м, 280 см и около 7 см.

Для распространения звука в плотной среде, в частности в жидкости, важна еще одна особенность. Звуковые волны, особенно самые длинные, не встречают значительного сопротивления, хорошо сохраняют энергию, полученную от излучателя, и поэтому проходят весьма большие расстояния. Это позволяет пользоваться звуком для дальней подводной звуковой связи, пеленгации и локации. Гидролокатор, подобно нашей струне, посылает в подводное царство звуковые волны и внимательно «слушает», когда и откуда вернется эхо. Своеобразным гидролокатором является широко распространенный прибор – эхолот. Улавливая отраженный от дна звук, он определяет глубину водоема. Эхолот используют также для обнаружения косяков рыбы.

Другой прибор – гидроакустический пеленгатор – только «слушает». Он обнаруживает на большом расстоянии невидимый источник подводного звука – например, работающий корабельный двигатель. Существуют и подводные звуковые маяки, по сигналам которых капитаны могут вести свои корабли.

Вы можете и сами понаблюдать, насколько хорошо вода проводит звуковые волны. Когда будете нырять в реке или в море, прислушайтесь к подводным звукам. Вы услышите, как у берега волна играет камешками, услышите, как стучит двигатель проходящего вдали парохода.

Легко убедиться и в том, что звук хорошо распространяется в твердых телах. Приложив ухо к железнодорожному рельсу, можно услышать шум приближающегося поезда задолго до его появления, когда звуки, идущие по воздуху, еще совсем не слышны. Подобным образом интересно послушать и водопроводную трубу – она может «донести» до вас много далеких шумов.

В технике широко используют специальные приборы – акустические дефектоскопы, которые следят за тем, как проходит звук по твердому телу. С их помощью удается обнаружить невидимый дефект в ответственной детали, например раковину в стальном вале электрогенератора или трещину в бетонном фундаменте будущего дома.

Можно рассказать много интересного о свойствах звуковых волн, о том, как акустика помогает самым различным областям науки и техники, о новых акустических приборах. Однако пора возвращаться к своей главной задаче – к знакомству с характеристиками звуковых колебаний. Сейчас предстоит познакомиться с еще одной характеристикой, еще одним и, кстати говоря, исключительно важным понятием. Имя ему – спектр.

Для начала поясним, почему мы назвали спектр «исключительно важным» понятием. Представьте себе, что несколько музыкантов, например, пианист, скрипач, баянист и трубач, взяли на своих инструментах одну и ту же ноту. Забегая немного вперед, скажем, что при этом все четыре инструмента создают звуковые волны с одним и тем же периодом. Можно рассадить музыкантов так, что в определенной точке все четыре звуковые волны будут создавать и одинаковое давление. Но никаким способом не удастся добиться, чтобы звуки, идущие от разных инструментов, были неотличимо похожи друг на друга. Вы прекрасно знаете, что скрипка и труба всегда звучат по-разному даже тогда, когда берут одну и ту же ноту.

Чем же отличаются, казалось бы, одинаковые звуки, исходящие из разных инструментов? Они отличаются пока еще загадочным для нас спектром.

Очень часто учебная модель какого-либо прибора или аппарата устроена намного проще оригинала. Делают это для того, чтобы сразу не запугивать ученика и сложность реальной техники раскрывать перед ним постепенно. Исходя из подобных побуждений, и мы выбрали для первого знакомства чрезвычайно упрощенный образец звуковых колебаний (рис. 1 и 4). В основном, было сделано два упрощения, два отклонения от истины, и, пожалуй, сейчас можно честно рассказать о каждом из них.

На рис. 5 приведено несколько графиков реальных звуков. Во многом все они похожи: имеют одинаковый период колебаний, одинаковую амплитуду. В то же время сразу видно, что все эти звуки сильно отличаются один от другого и от «учебного» (рис. 1 и 4). Они отличаются формой кривой. А за этими, казалось бы, сухими словами «форма кривой» скрывается очень многое – весь ход изменения звукового давления. Вы видите, что в одном случае (рис. 5, а) звуковое давление изменяется очень неуверенно – в течение каждого полупериода оно несколько раз становится то больше, то меньше. Второй график (рис. 5, б) показывает, что сжатие и разрежение существует лишь небольшую часть периода, а все остальное время звуковое давление близко к нулю. Совсем иначе проходят колебания в третьем случае (рис. 5, в). Здесь звуковое давление почти весь период действует с наибольшей амплитудной силой.

Рис. 5. Одинаковые по высоте (частоте) звуки, исполненные на различных музыкальных инструментах, звучат по-разному. Характер звучания определяется формой кривой (спектром).

Кроме уже знакомой струны, существует огромное множество источников звука, которые создают самые разнообразные звуковые колебания с самой причудливой формой кривой.

Наше ухо, а мы его назвали главным потребителем звуковых волн, довольно точно различает все эти звуки. Иными словами, ухо каким-то образом оценивает не только силу, не только частоту звука, но и форму кривой его графика.

Из всего сказанного придется сделать невеселый вывод. Путешествуя по зоопарку, мы не заметили слона; изучая звуковые колебания, не ввели очень важный для них параметр – форму кривой. Но как только захотим исправить эту ошибку, то сразу же столкнемся с серьезными, на первый взгляд даже непреодолимыми трудностями. Как можно точно оценить форму графика? В каких единицах ее измерять? Как сравнивать разные по форме кривые, отмечать их сходство или различие?

Для начала попробуем решить подобную задачу из другой области. Представьте себе, что вам нужно, пользуясь картой, измерить площадь какого-либо водоема, например Черного моря. В этом случае можно поступить так: разбить всю поверхность моря на квадраты, посчитать площадь каждого из них, а затем все полученные результаты сложить. При этом на карте разместятся два-три больших квадрата, несколько квадратов поменьше и, наконец, множество мелких и мельчайших квадратиков, которые точно воспроизведут сложные очертания морских берегов (рис. 6).

Рис. 6. Звук сложной формы можно представить в виде суммы простейших синусоидальных составляющих (гармоник) с разными частотами и амплитудами. Такой набор синусоидальных составляющих называется спектром сложного звука.

Подобным же образом для оценки формы кривой какого-либо звука его можно представить как сумму каких-то составляющих– звуков с разными амплитудами, частотами и фазами, но с одинаковой стандартной формой кривой. В этом случае сравнительно просто описать форму графика любого, самого сложного звука. Нужно лишь назвать набор стандартных составляющих, которые в сумме дадут этот сложный звук.

То, что сложную геометрическую фигуру можно представить в виде суммы более простых фигур, в частности квадратов, ясно и без особых рассуждений. А вот можно ли подобную операцию суммирования производить со звуковыми колебаниями? Оказывается, можно.

Если в точку, где расположен измеритель звукового давления, направить две звуковые волны, то прибор не будет в отдельности реагировать на каждую из них, а покажет суммарное давление. Это как раз и означает, что для получения звуковых колебаний сложной формы достаточно сложить, то есть заставить совместно работать, определенный набор простых по форме звуков. И наоборот, всякий сложный звук можно разложить на более простые составляющие.

Пока слово «можно» мы применили условно, имея в виду «в принципе можно». Однако в дальнейшем вы познакомитесь с приборами, которые без всяких условностей, в буквальном смысле слова могут разложить сложный звук на набор простых составляющих. Кстати, один из таких приборов – это наше ухо.

Из чего же нужно исходить при выборе стандартной составляющей для разложения сложных звуков? Какому из многочисленных простых графиков здесь следует отдать предпочтение?

Решать эти вопросы нам уже не придется – составляющая, наиболее удобная для разложения сложных колебаний, в том числе и сложных звуков, уже выбрана.

Выбор пал на простейшую кривую, известную под названием «синусоида». Примером синусоидальных (иногда говорят, гармонических) колебаний может служить «учебный» звук, а его график (рис. 4), так же как и график колебаний «учебной» струны и маятника (рис. 1 и 3), представляет собой типичную синусоиду. Чем же привлекла к себе внимание эта кривая?

Прежде всего нужно сказать, что синусоиду выбрала сама природа. Природа создала прибор – ухо животных и человека, которое может выделять из сложного звука простейшие составляющие, причем именно синусоидальные. Синусоида – очень популярная кривая. Графики бесчисленного множества различных колебаний – электрических, механических, световых, молекулярных, химических – имеют вид синусоиды или, во всяком случае, очень ее напоминают. Ну, и в заключение отметим, что, по-видимому, нужно было сказать в самом начале. Синусоида обладает рядом замечательных математических свойств, благодаря которым природа «считает» самым естественным, самым удобным, самым простым видом колебаний именно синусоидальные.

Итак, будем считать, что выбор сделан. Теперь, чтобы описать форму кривой сложного звука, достаточно указать эквивалентный ему набор синусоидальных колебаний, который называется спектром сложного звука. Спектр принято изображать в виде особого графика, напоминающего частокол (рис. 6). Из этого графика сразу же видно, каковы частоты отдельных составляющих и какую амплитуду имеет каждая из них.

В начале XIX века французский математик Жан Батист Жозеф Фурье предложил формулы, по которым можно вычислить амплитуды всех синусоидальных составляющих сложного звука. Одновременно было доказано: если рисунок на графике сложного звука периодически повторяется, то в спектре наверняка будут гармоники – синусоидальные (гармонические) составляющие с частотами, кратными основной частоте, то есть частоте сложного звука. Так, например, если основная частота f = 100 гц, то в спектре будут составляющие с частотами 100 гц (первая гармоника, частота f), 200 гц (вторая гармоника, частота 2f), 300 гц (третья гармоника, частота 3f) и т. д. Как правило, чем выше номер гармоники, тем меньше ее амплитуда. Математическое описание спектра, составленного из гармоник, носит название «ряд Фурье».

Потом мы в основном будем иметь дело с периодическими звуками, спектр которых состоит только из гармоник. Если же в спектр, кроме гармоник, придется вводить еще какую-нибудь составляющую, то мы будем считать, что это «ЧП» – чрезвычайное происшествие, и сразу же обратим на него внимание.

Научившись с помощью спектра – набора гармоник – точно описывать форму сложной кривой, мы в какой-то мере исправили первое упрощение, сделанное при знакомстве с «учебной» струной. Струна не создает синусоидальные колебания, как это показано на рис. 1, и спектр колебаний реальной струны содержит целый ряд гармоник (рис. 6).

Знакомясь с колебаниями струны, мы сделали еще одно упрощение, и его также следует исправить. Для этого достаточно сильней натянуть «учебную» струну, чтобы в несколько раз повысить частоту ее колебаний. Без этого колебания воздуха, которые создает струна, вообще нельзя будет считать звуком. Почему?

Как видно из графиков, период колебаний в нашем примере составляет 0,1 сек, а значит, частота равна 10 гц. В то же время ухо воспринимает акустические колебания с частотами от 16 гц до 22 кгц. Слышимым звуком можно называть только те колебания, которые укладываются в этот диапазон. Неслышимые акустические колебания с частотой ниже 16 гц называют инфразвуком, а выше 22 кгц – ультразвуком.

Более подробно об этом будет рассказано в следующем разделе, который в основном посвящен замечательному творению живой природы – органу слуха.

«Я вас слушаю!..»

Когда вы отвечаете на телефонный звонок или просто обращаетесь к собеседнику, то не задумываетесь о том, что стоит за простым выражением: «Я вас слушаю». За этими словами скрывается очень многое: тончайшие и во многом загадочные химические реакции, работа сложных, до сих пор не понятых инженерами физических приборов и вычислительных машин, о которых современная кибернетика пока только мечтает. Еще стоят за этими словами поражения и победы, борьба за право жить на Земле, полная драматизма бурная история, которая рассказывает о событиях, происходивших сотни миллионов лет назад.

Геологическая химия установила, что возраст Земли составляет примерно 5,3 миллиарда лет и что жизнь зародилась на нашей планете около миллиарда лет назад.

Миллиард лет – это очень большой срок. За это время можно было бы 300 миллионов раз пешком обойти вокруг земного шара или 15 миллионов раз «сходить» на Луну и обратно. За это же время обычным стаканом можно 200 раз вычерпать всю воду из Азовского моря. А если каждый день сбрасывать у своего дома хотя бы несколько десятков лопат земли, то через миллиард лет по соседству с вами появится гора, значительно более высокая, чем Эльбрус. Вот что такое миллиард лет.

И все же этот срок не кажется очень большим, когда вспоминаешь, как много он должен был вместить событий, связанных с развитием живой природы.

Сейчас на Земле найдено и описано более 500 тысяч видов растений и 1100 тысяч видов животных и насекомых, в том числе 50 тысяч видов позвоночных животных. Все это изумительное многообразие берет свое начало от простейших одноклеточных организмов, а может быть, даже от какого-нибудь одного типа самых примитивных живых клеток. Неутомимый мастер – природа усложняла простейшие клетки, создавала клеточные коллективы-организмы, прилаживала их к условиям окружающей среды, отбраковывала слабые и плохо приспособленные образцы. Природа закрепляла наиболее важные, полезные свойства и способности, повышала квалификацию отдельных клеток и формировала из клеток-специалистов органы особого назначения, такие, как плавник или крыло, глаз или сердце. Из поколения в поколение совершенствовался мир живого, управляемый железными законами изменчивости, наследственности и естественного отбора. В результате титанической, ни на секунду не прекращавшейся работы природа за миллиард лет создала такие шедевры, как организм человека, состоящий из 20 триллионов невидимых химических комбинатов – четко взаимодействующих живых клеток.

Растения развивались в сравнительно спокойной обстановке. Они прямо на месте получали все необходимое для жизни: от солнечных лучей – энергию, из почвы – строительный материал, разнообразные минеральные вещества, из дождевого облака – влагу. И поэтому, как ни совершенствовались растения, приспосабливаясь к морям и пустыням, зною и холоду, они так навсегда и остались неподвижными.

Другое дело животные. Они должны были сами искать для себя пищу и при этом еще не стать пищей какого-нибудь более сильного «коллеги». Вот почему в животном мире, начиная с его простейших представителей, выживало и развивалось то, что могло хорошо двигаться и ориентироваться.

Вот почему у животных до такой высокой степени развились органы движения и нервная система.

Нервная система – это сложный орган, а точнее, целый комплекс взаимосвязанных органов, с помощью которого организм изучает окружающий мир, непрерывно оценивает обстановку и на основе этого организует свое поведение. Развитие нервной системы и особенно ее главного штаба – головного мозга – в итоге оказалось решающим фактором в борьбе за существование, за прогресс того или иного вида животных.

Сбор информации об окружающем мире организм осуществляет с помощью рецепторов. Это специализированные клетки (Иван Петрович Павлов называл их клетками-осведомителями), которые под действием света, тепла, давления или химических веществ посылают определенные сигналы в нервную систему. Некоторые рецепторы появились на довольно ранних стадиях развития живого организма. Так, в частности, приемники света, фоторецепторы, разбросаны по всему телу дождевого червя, представителя древнейшего типа животных– кишечнополостных. Некоторое подобие фоторецепторов встречается даже у одноклеточных. У сложных животных рецепторные клетки объединяются в целые органы, такие, как глаз (знаете ли вы, что глаз человека содержит около 200 миллионов светочувствительных клеток?), органы обоняния и вкуса.

Рецепторы звуковых колебаний, а значит, и орган слуха появились намного позже других, так как острая необходимость в них возникла сравнительно недавно, «всего» 150–200 миллионов лет назад. К этому времени наиболее смелые представители подводного мира (а жизнь, как известно, зародилась и развивалась в океане), стали выбираться на берег, постепенно превращаясь в сухопутных животных.

В земных условиях звуковые волны приносят исключительно важные «сообщения» – журчание ручья, шаги приближающегося хищника, шорохи убегающей «пищи». Необходимость пользоваться этой информацией и привела к появлению и развитию слуха.

Слуховой аппарат развился из так называемой боковой линии рыб – своеобразного органа давления, точнее, цепочки органов, вытянувшихся от головы до хвоста по обеим сторонам рыбьего тела. Боковая линия реагирует на медленные изменения давления, позволяет рыбам огибать препятствия, чувствовать приближение других рыб и даже «слышать» некоторые звуки. В частности, установлено, что рыба голец слышит звуки с частотой до 3 кгц, гольян – до 7 кгц и сомик – до 12,4 кгц. В последнее время проведено много интересных опытов, в которых рыб приучали реагировать на различные звуки: например, двигаться за пищей, ориентируясь на источник звуковых волн.

Но услышать звук – это еще далеко не все, нужно проанализировать его, отличить одни звуки от других. Таким анализом занимается мозг, и именно от его развития в огромной степени зависит совершенство всего слухового аппарата.

Так у рыб наблюдаются простейшие реакции на звук – обычно они просто бегут от источника звуковых колебаний. Животные амфибии уже умеют выделять некоторые особо важные для них звуковые комплексы, еще лучше развит слух у птиц, и. наконец, у млекопитающих, к классу которых относимся и мы с вами, слуховой аппарат достигает высочайшей степени совершенства, становится одним из главных средств сбора информации об окружающем мире.

Слуховой аппарат человека можно условно разделить на три основные части (рис. 7, 5, б).

рис. 7, 5, б

1. Ухо принимает звуковые колебания и предварительно сортирует их по частоте и по мощности. Здесь же составляется и отправляется в мозг шифрованная «телеграмма», формируются серии сложных электрохимических сигналов – нервных импульсов, которые несут подробное описание принятого звука.

2. Анализ нервных импульсов, то есть фактически анализ звука, осуществляют специально для этого приспособившиеся участки коры головного мозга, расположенные в височных частях обоих больших полушарий. Левый и правый слуховые участки сложным образом связаны, и звук, принятый, например, правым ухом, попадает не только в «свое», но и в левое полушарие. Сопоставляя сигналы, принятые правым и левым ухом, мозг вычисляет место расположения источника звуковых волн. Интересно, что звуки разных частот изучаются в разных районах слуховых участков мозга, а если раздражать эти участки слабым электрическим током, то у человека возникает ощущение услышанного звука.

3. Третьим элементом слухового аппарата можно считать линию связи ухо – мозг, основа которой – слуховой нерв – состоит из многих тысяч нервных волокон. На этой линии имеется несколько промежуточных узлов связи, где, по-видимому, происходит предварительная обработка нервных импульсов, идущих в мозг.

Из всех элементов слухового аппарата для нас сейчас наибольший интерес представляет само ухо, и с ним мы познакомимся несколько подробнее.

Всякий, кому приходилось бывать в метро, знает, что наземная станция – это лишь небольшая часть всего сооружения и что самое главное – прекрасные дворцы, могучие машины, бесконечные туннели – находится под землей. Подобно этому орган, который мы привыкли называть ухом, – это лишь своего рода наземная станция, получившая название «наружное (внешнее) ухо» (рис. 7, 5, а). Главные же части нашего звукоприемника – среднее и внутреннее ухо – нам не видны. Они спрятаны довольно глубоко и защищены костями черепа.

рис. 7, 5, а

Звуковые волны, попавшие в ушную раковину, пробегают через извилистый слуховой проход (его длина около 2,5 см) и приводят в движение барабанную перепонку. Она, в свою очередь, связана с системой миниатюрных косточек – молоточком, наковальней и стремечком, которые все вместе весят около 0,05 г. Слуховые косточки расположены так, что образуют рычаг – своего рода усилитель. Конец этого рычага раскачивает барабанная перепонка, а на другом конце получаются колебания с меньшей амплитудой, но зато действующие с большей силой. Эти колебания попадают в самый главный «цех» внутреннего уха – в улитку. Название «улитка» этот орган получил потому, что у млекопитающих он действительно похож на спиралевидный домик улитки. У животных, которые стоят на более низкой ступени развития, в частности у птиц, улитки еще нет, ее место занимает более простой орган, немного похожий на изогнутую луковицу.

Улитку внутреннего уха человека удобно представить себе как постепенно сужающуюся трубку длиной около 3 см и закрученную в спираль на три, точнее, на 2^3/4 витка.

Итак, улитке передаются звуковые колебания от слуховых косточек. Наряду с этим к ней подходят нервные волокна, связанные со слуховым нервом. Отсюда можно сделать только один вывод: именно в улитке находятся звукорецепторы, находится орган, преобразующий звуковые колебания в серии нервных импульсов. Этот орган, по имени одного из его первых исследователей – А. Корти, получил название кортиева органа (орган Корти).

Кортиев орган надежно укрыт – он находится в спиральном лабиринте улитки (рис. 7, 5, г, поперечный разрез витка улитки) и чем-то напоминает плоский и длинный слоеный пирог, также закрученный в спираль.

Нижний слой, основание «пирога», – лента основной мембраны, сотканная из 25 тысяч поперечных тонких нитей. Эти нити часто сравнивают со струнами рояля или арфы. В направлении от основания улитки к ее вершине основная мембрана расширяется, и нити-струны становятся длиннее. У основания улитки (овальное окно), куда примыкает третья слуховая косточка – стремечко, длина нитей составляет 100 мк, а у вершины улитки – 500 мк (рис. 7, 5, в).

рис. 7, 5, в

На основной мембране расположились ткани из нескольких типов клеток. В самом наружном слое имеется пять рядов так называемых волосковых клеток (кончик каждой из них покрыт десятками тончайших волосков), к которым подходят нервные волокна (рис. 7, 5, д).

рис. 7, 5, д

Изучение устройства и работы слухового аппарата началось давно, но еще сегодня в этой области существует очень много загадок. Так до сих пор не удалось проследить все стадии преобразования звука в нервный импульс. Неясно также, каким образом кортиев орган анализирует форму кривой звука, как разделяет сложный звук на синусоидальные составляющие. Существует несколько теорий слуха, но, пожалуй, ни одна из них полностью не объясняет принцип действия нашего звукоприемника.

Долгое время широким признанием пользовалась так называемая резонансная теория слуха, которую около ста лет назад разработал известный физик и врач Герман Гельмгольц. Как говорит само название, в основе этой теории лежит хорошо известное явление – резонанс.

Существует много опытов для иллюстрации резонанса, но один из этих опытов особенно хорошо поясняет резонансную теорию слуха. Откройте крышку рояля или пианино, нажмите правую педаль и с большими паузами спойте над струнами несколько коротких звуков. Вы услышите, как рояль вторит пению, причем после разных нот звучат и разные струны.

Происходит это потому, что каждая струна в основном резонирует лишь на одну из синусоидальных составляющих сложного звука. Поэтому для различных сложных звуков, то есть для разных спектров, набор откликающихся струн оказывается различным.

Гельмгольц считал, что наш слуховой аппарат определяет спектр сложных звуков примерно таким же способом. Роль резонирующих струн он отводил нитям основной мембраны, которые имеют разную длину, а значит, и разную частоту резонанса. Эксперименты, казалось бы, полностью подтверждали резонансную теорию слуха. Так, например, при повреждении вершины улитки, где находятся сравнительно длинные низкочастотные волокна, подопытные животные теряют слух в области низших частот, а повреждение основания улитки приводит к потере слуха на высших частотах. В пользу резонансной теории говорили и многие другие эксперименты.

И все же под давлением фактов, особенно полученных в самое последнее время, от простой и, казалось бы, понятной модели уха-рояля пришлось отказаться. Вот лишь одно из затруднений резонансной теории. Простейшие расчеты показывают, что для того, чтобы перекрыть весь диапазон слышимых частот (16 гц– 22 кгц), сила натяжения крайних «струн» должна отличаться в 10 тысяч раз. О такой большой разнице не может быть и речи. Для «струн» из живой ткани она недопустима.

Сейчас главное внимание исследователей приковано к волосковым клеткам, где звук преобразуется в нервный сигнал. Установлено, что этот процесс включает в себя целые комплексы химических реакций, с которыми, по-видимому, связано и разделение сложного звука на составляющие. Обнаружены интересные особенности поведения некоторых частей волосковой клетки при воздействии различных звуков. Одним словом, стало ясно, что важнейшие проблемы слуха нужно рассматривать с позиций молекулярной биологии, которая исследует самые тонкие биологические механизмы.

Изумительная биологическая машина

Несмотря на неясности в работе слухового аппарата, его главные характеристики изучены весьма подробно. Так, в частности, установлена чувствительность, или, иначе, порог слышимости, уха – сила самых тихих звуков, которые мы еще в состоянии услышать. Оказалось, что на разных частотах порог слышимости различен, и лучше всего мы слышим звуки с частотами от 1 до 5 кгц. На краях диапазона слышимых звуков чувствительность уха резко – во много миллионов раз – падает.

Сила звука на пороге слышимости (для частоты 1000 гц) составляет около 10^-12 вт/м², а звуковое давление – 0,00002 н/м². Под действием таких слабых звуков давление на барабанную перепонку не превышает 0,0000003 г, и амплитуда ее колебаний измеряется тысячными долями микрона. Амплитуда звуковых колебаний на входе улитки еще в 50–60 раз меньше, а размах колебаний основной мембраны оказывается в несколько раз меньше, чем диаметр атома водорода. Уже одно это говорит о том, какие сложные и тонкие процессы обеспечивают высокую чувствительность уха.

Самые громкие звуки, которые мы можем слышать, называют порогом болевых ощущений. Он соответствует силе звука около 10 вт/м² и давлению около 65 н/м². За этим порогом ухо действительно ощущает боль и громкость звука становится невыносимой. Для сравнения заметим, что чувствительные окончания кожи ощущают прикосновение уже при давлении 6 н/м². Порог болевых ощущений неодинаков на разных частотах, хотя и меняется не так резко, как порог слышимости. Значение обоих порогов для разных частот вы найдете на графике (рис. 7, 1).

Области «речь» и «симфонический оркестр» показывают, в каких пределах находятся частоты и звуковые давления для этих источников звука. В табл. 2 указаны некоторые источники звуковых колебаний и соответствующие им звуки различной силы.

Приведенные цифры показывают, что ухо слышит звуки в огромном диапазоне громкостей. Самый сильный и самый слабый из слышимых звуков могут различаться по звуковому давлению в 3 миллиона раз, а это соответствует разнице силы звука в 10 триллионов раз! Измеритель длины с подобным диапазоном мог бы одинаково хорошо определить толщину человеческого волоса и расстояние до Луны. Этот, конечно, весьма условный пример в какой-то степени характеризует универсальность слуха, его способность воспринимать самые различные звуки.